仰斜式高擋墻“鼓包”問題的探究和解決方案

張 強

葛洲壩集團電力有限責任公司，湖北 宜昌 443002

1 概述

擋土墻是支擋路基填土或山坡土體，防止填土或山坡土體失穩，承受側向土壓力的構筑物，事關防護對象的重大安全，因此，根據現場地質條件選擇恰當結構形式的擋土墻十分重要。本文結合220kV沙灣變電站高擋墻局部出現“鼓包”現象，探討了擋土墻的穩定性，剖析“鼓包”成因，提出解決方案，最后進行了經驗總結。

2 工程地理及地質情況

220kV沙灣施工中心變電站位于四川涼山彝族自治州木里縣東子鄉東子村東子組， 是華電木里河梯級電站工程中用于施工供電的中心變電站，站址大部區域地勢平緩，但北面靠山，坡勢較大，南面臨邊，下坡較陡，總體地勢為北高南低，站區四周均修砌擋土墻。

根據設計地勘資料，擬建場地地層巖性主要為第四系崩坡積的夾碎石亞粘土和三疊系變質板巖組成。蹦坡積的塊碎石土夾粘土，具有一定的物理力學性能，可作建構筑物基礎持力層。三疊系下統變質板巖夾砂巖（T1），弱～微風化，埋深較深。3 存在的問題及計算分析

2.1 存在的問題

該站北面的擋土墻最高，為9m～10m，按照施工圖，采用仰斜式。北面擋墻砌筑完成一個月后(跨主汛期)，發現北側往西北角的一段擋墻（約15m）出現了明顯的“鼓包”帶（墻高1/3左右處），進一步觀察后，發現“鼓包”帶的墻面仍在輕微的外移，擋土墻頂面也有縱向裂隙，墻后土體（非原狀土，為附近引水洞工程鋪墊施工便道的棄渣體）頂部也出現多條裂隙，由此情形發展，主汛期的一場強降雨隨時都有沖垮該段擋墻的可能，屬重大安全隱患（見下圖1）。

圖1

2.2 擋土墻穩定性驗算

由于出現“鼓包”帶，需要對擋墻的穩定性進行驗算，以判明癥結所在，具體如下：

1）土壓力計算

（1）計算式（庫倫主動土壓力計算公式）：

兩式中：Ka為庫倫地震或非地震土壓力系數；Ea為地震或非地震土壓力；

α為墻背與垂直線夾角（度），俯斜為正值，仰斜為負值；

η為地震角，7度（0.1g）η=1.5°；δ為墻背與填料摩擦角，取δ=0.5ψ；

ψ為填料內摩擦角（度）；β為墻背后邊坡坡度（度），該工程β=0°；

ho為荷載換算土柱高度，本工程設計荷載qk=10kPa，ho=qk/γc（3）

γc為墻背填料重度（kN/m3），正常情況下，取γc=18kN/m3；

γo為擋土墻結構重要系數，取γo=1.1（防護對象為高壓電氣設備）；

（2）參數取值

在實際應用時，上述計算式中的參數需結合現場情況取最接近實際的值，計算的結果才能更加準確的反映實情，現就理論和實際兩種狀態，分別給出各參數取值，見表1。

表1

說明：1）填料內摩擦角（ψ）：回填料就地取材，為塊碎石土夾亞粘土，參考圖集（04J008）附錄C，ψ取值在粘性土（墻高6m）和碎石類土之間，即30°～40°，正常取35°；實際上，填料受雨水浸透，內摩擦角減小，取30°；2）墻背與填料摩擦角（δ）：根據圖集（04J008）附錄G，δ=0.5ψ，當ψ變化時，其相應變化；3）填料重度（γc）：正常情況下γc=18kN/m3，實際上，受開裂砌體成為填料和含水量等因素的影響，填料綜合重度發生了變化， 如圖1所示，△BCE為擋墻砌體失重易開裂部分（按極限開裂考慮），該部分每米長度的體積VBCE=0.5*1.5*2/3*H=0.5*H；△ABF為墻后填料部分，該部分每米長度的體積VACE=0.5*5.4*H=5.9*H；整個滑動體ACEF體積VACEF=VBCE+VACE+=0.5*H+5.9*H=6.4*H；砌體占比為VBCE/VACEF=0.5/6.4；填料占比為VACE/VACEF=5.9/6.4；如果1m3填料中僅考慮含水量30%，則下滑填料的綜合容重為：γc=22*0.5/6.4+18*5.9/6.4+9.8*0.3=21.25（kN/m3）；

（3）土壓力計算

將上述表1的參數分別代入①～③計算式，通過計算得出如表2。

表2

2）抗傾覆驗算

（1）計算式：為了保證擋土墻在土壓力的作用下不發生繞墻趾0點的傾覆，應使抗傾覆力矩大于傾覆力矩，兩者之比值為抗傾覆安全系數Kt，即

（其中安全系數1.6依據《建筑地基基礎設計規范》中第6.6.4～6.6.5條規定取值）

式中：Kt為每米抗傾覆安全系數；G為每米擋土墻的重力；

Eax為每米主動土壓力的水平分力：

Eaz為每米主動土壓力Ea的垂直分力:

Xo、Xf、Zf為分別為G、Eaz、Eax至墻趾O點的距離，其中

式中：b為基底的水平投影寬度；z為土壓力作用點離墻踵的高度；α0為基底與水平線夾角。

（2）參數取值

按照圖1分析計算和上表1、表2，計算式（4）～（7）中的各參數取值詳見表3。

表3

說明：擋墻自重（G）=擋墻每延米體積（V）*容重（γc），V、γc根據圖集可查為17.61m3、22kN/m3；本工程實際情況下，應將開裂部分的砌體重量扣減，即圖1中△BCE砌體每延米重量GBCE=0.5*9*22=99（kN）；

（3）抗傾覆安全系數計算

將上述表2、表3的數值分別代入④～⑧計算式中，通過計算得出如下結果：

表4

3）抗滑移驗算

（1）計算式

為了保證擋土墻在土壓力的作用下不發生沿基底的滑動，應使基底抗滑力大于滑動力（即土壓力的水平分力），兩者之比值為抗滑移安全系數Ks，即

式中：Ks為抗滑移安全系數； Gn為垂直于基底面的重力分力；Gt為平行于基底的重力分力； Ean為垂直于基底的土壓力分力；Eat為平行于基底的土壓力分力 ；

μ為擋土墻基底對地基摩擦系數，由試驗確定，當無試驗資料時，可參考圖集04J008附錄D選用。

該擋墻基底為倒坡式，且基礎埋置較深，基底為弱風化板巖和砂巖，擋墻在底部幾乎不可能發生滑移。事實上，擋墻 “鼓包”帶在墻高1/3左右處，需討論和驗算該處滑移情況。

（2）參數取值

當將墻高1/3處作為基底滑移面時，Gn=墻高1/3處以上砌體重力；Gt=0；Ean= Eaz；Eat= Eax，μ值參考圖集04J008附錄D選用，屬表面粗糙的硬質巖石間摩擦，且有砂漿黏合，可考慮μ=0.75，詳見表5。

表5

說明：1）正常情況下Gn=2/3G，實際情況下，Gn=2/3GGBCE=159.28（kN）（為簡化計算，在此忽略了擋墻腳趾重量對擋墻重力均勻性的微小影響）；2）Ean、Eat取值均參考表-04；3）由于沿墻背的土壓力存在不均勻性，墻高1/3左右的位置是受力最大處，該處（局部范圍）滑移時存在事實上的上下兩個滑動面，因此，μ=0.75*2=1.5。

（3）抗滑移安全系數計算

將上述表5的數值分別代入⑨計算式中，通過計算得出如下結果：

表6

2.3 影響擋墻安全因素的分析

通過對上述擋墻穩定性驗算過程的分析，造成該擋墻實際抗滑移安全系數大大降低的原因主要是如下方面的參數發生了較大變化和結構性問題：

1）擋墻有效自重減少：部分砌體開裂，從墻身脫離開，破壞了其整體性，重力減小；

2）填料綜合容重（γc）增加：雨季填料的含水量增大，同時開裂部分擋墻砌體也進入填料中，使填料的綜合容重增加，共同對墻背形成較大的土壓力；

3）填料內摩擦角（ψ）減小：以亞粘土為主的填料（含少量碎石）在雨季形成浸水飽和，抗剪強度和粘聚力降低，ψ值減小，由計算式①②可知，導致土壓力大幅增加；

4）擋土墻形式不適：過高仰斜式擋墻重心極不穩，填料沉降，失重砌體失去支撐開裂；

5）局部地質變化：墻后邊坡屬鄰近工程松填棄土，與地勘地質不符，該土破裂體下滑。

3 總結及解決方案

由上述的原因分析，我們可總結和尋求解決擋墻“鼓包”問題的一般經驗、方法：

1）詳查地質：在涉及重大安全和高擋墻施工中，必須認真核驗現場每個部位的地勘情況，對有偏差的部位應特別警惕，進行穩定性驗算。（本工程對墻后的松填棄土未引起重視）；

2）選擇適宜擋墻形式：本工程需拆除“鼓包”段擋墻，改為直立式。仰斜式擋墻適于貼坡式支擋，即邊坡坡度與墻背傾角一致或夾角很小，填料對墻身的土壓力為0或很小，擋墻不易產生滑移。擋墻仰斜坡度不宜緩于1:0.25，墻面、墻背平行，邊坡坡度不宜緩于1:0.3；

3）仰斜式擋土墻一般適用于高度小于6m的支擋。根據《建筑地基基礎設計規范》第6.6.4-6.6.5條，重力式擋墻適用于高度小于6m、地層穩定、開挖土石方時不會危及相鄰建筑物安全的地段；

4）填料及夯填：填料內摩擦角的少量變化可引起土壓力較大變化，因此，填料應盡量選用抗剪性高和透水性強的礫石或砂土，嚴禁選用膨脹土、淤泥質土、耕植土作填料。對于仰斜式擋墻，其背后填料還應分層夯實，否則，易出現填料沉降，墻體開裂；

5）完善防、排水措施：擋墻和邊坡頂部均應設截水溝，防止邊坡滑移、垮塌，以及填料浸水飽和，抗剪強度和粘聚力降低，ψ值減小。

[1]建筑地基基礎設計規范（GB50007-2002）.

[2]擋土墻（國家建筑標準設計圖集04J008）.北京：中國計劃出版社，2006，4.